1. Notiuni de Tribologie (studiul frecarii)!

1. DEFINIREA ŞI IMPORTANŢA TRIBOLOGIEI

1.1.  Definirea tribologiei

Funcţionarea sistemelor mecanice, de la cele mai simple până la cele mai complexe, presupune existenţa unor elemente aflate în mişcare relativă. Creşterea fiabilităţii, scăderea preţului de fabricaţie şi scăderea costurilor în exploatarea lor impun analiza acestor sisteme din mai multe puncte de vedere, printre care şi cel privind pierderile energetice prin frecare şi de material.

Mişcarea relativă între elemente presupune interacţiunea acestora. Din punct de vedere mecanic o interacţiune presupune dezvoltarea unor forţe şi momente de interacţiune ce se transmit de la un element la altul. Elementele pot fi solide, lichide sau gaze [25].

La nivelul interacţiunilor elementelor apar pierderi energetice şi de material prin frecare şi uzare [9], [25], [30].

Cu toate că fenomenele de frecare şi uzare preocupă din cele mai vechi timpuri omenirea, cuvântul ²tribologie² a fost introdus relativ recent, fiind propus prima dată de D. Tabor în anul 1954 şi folosit  în anul 1966 de către Departamentul de Educaţie şi Stiinţă al Regatului Unit al Marii Britanii şi Irlandei de Nord, prin ceea ce este cunoscut în literatura de specialitate ca Raportul Jost - ²Lubrication (Tribology) Education and Research² [45], [9], [30], [35], etc. Cuvântul ²tribologie² a rezultat prin combinarea cuvintelor din greaca vechie tribein (tribein) = frecare şi logos (logox) = ştiinţă, care în traducere completă înseamnă ²ştiinţa frecării² [30].

Cercetătorii britanici, de la departamentul mai sus amintit, au definit tribologia ca ²ştiinţa care se ocupă cu interacţiunea suprafeţelor aflate în mişcare relativă şi aplicaţiilor care rezultă din acestea². Tribologia se ocupă cu studiul fenomenelor fizice, mecanice, metalurgice şi chimice din interacţiunile elementelor în mişcare relativă. Ulterior, în această ştiinţă, au fost introduse şi aspectele ungerii [30].

1.2.  Importanţa tribologiei

Tribologia abordează un domeniu complex şi pluridisciplinar, aflându-se la interferenţa mai multor ştiinţe: mecanica solidelor, mecanica fluidelor, fizica, metalurgia, chimia, etc.

a) Tribologia are o importanţă ştiinţifică deoarece această disciplină tratează cele mai importante fenomene ireversibile din natură: frecarea şi uzarea.

Situarea acestei ştiinţe la graniţa ştiinţelor amintite a dus la apariţia şi dezvoltatea unor noi ramuri ale tribologiei:

- tribotehnica, care se ocupă de activităţile tehnico-aplicative ale tribologiei;

- tribofizica se ocupă de fenomenele fizice ce se produc la nivelul suprafeţelor corpurilor aflate în mişcare relativă;

- tribochimia se ocupă de studiul transformărilor chimice dintre suprafeţele de frecare şi mediile de reacţie;

- biotribologia se ocupă de studiul fenomenelor tribologice la nivelul articulaţiilor sinoviale ale fiinţelor vii şi de simularea şi reproducerea articulaţiilor sinoviale - protezarea.

- electrotribologia se ocupă de studiul modificării stării energetice şi încărcării electrice a substanţelor sub acţiunea forţelor de frecare:

·        triboluminiscenţa este fenomenul de emitere a radiaţiilor electromagnetice a unor substanţe;

·        încărcarea cu energie electrică a unor substanţe.

b) Tribologia are o importanţă tehnică pentru că a permis trecerea de la creşterea rezistenţei ²în volum² la creşterea rezistenţei ²în suprafaţă² a elementelor. Cercetările în domeniul mecanic şi cel metalurgic au redus volumul elementelor, iar cercetările în domeniul acoperirilor au crescut rezistenţa elementelor din sistemele tehnice la suprafaţă.

Prin studiul frecării, tribologia urmăreşte optimizarea proceselor de frecare, fie în sensul micşorării forţelor de frecare, cum este cazul lagărelor, fie în sensul măririi forţelor de frecare, cum este cazul frânelor sau cuplajelor cu fricţiune.

Prin studiile tribologice privind uzarea se intervine asupra durabilităţii sistemelor mecanice.

c) Tribologia are o importanţă economică. Dacă se iau în considerare economiile ce se obţin prin aplicarea cercetărilor tribologice rezultă sume uriaşe care pot fi direcţionate în alte scopuri. ASME (American Society of Mecanical Enginering) a estimat că 11% din consumul energetic al SUA se poate economisi prin activităţi de cercetare-dezvoltare în domeniul tribologiei. In Germania printr-un studiul sistemic din punct de vedere tribologic al problemelor contactului s-ar fi putut economisi la nivelul anului 1994 aproximativ 32-40 miliarde DM.

1.3.  Scurt istoric privind tribologia

Fenomenele legate de preocupările tribolgiei au fost în atenţia omului din totdeauna [3], [25], [35] :

- aprinderea focului prin frecarea unor bucăţi de lemn;

- şlefuirea uneltelor de vânătoare şi lucrat pământul confereau acestora o durată mai mare de viaţă, o frecare mai mică cu aerul sau solul şi deci, energia musculară era utilizată mai eficient;

- reducerea frecării prin utilizarea unor sănii sub care se turna ulei, grăsime topită, noroi sau se se aşezau role;

- în perioada greco-romană s-a extins utilizarea roţii, a fost descoperit angrenajul (cca. 200 î.e.n.), a fost descoperit principiul angrenajului diferenţial de Arhimede ( sec. al III-lea î.e.n.), s-a descoperit arborele cu came de Heron din Alexandria, s-au construit o serie de mecanisme şi maşini cum ar fi: scripeţii, macaralele, maşina de război, maşinile agricole, presele de ulei, etc. La toate acestea pentru a se obţine performanţe şi reducerea uzurii s-au efectuat ungeri (lubrifieri) cu grăsimi animale, uleiuri vegetale sau păcură (în zonele vulcanilor noroioşi).

Renaşterii apar lagărele (cuzineţii) din fier, care ulterior au fost înlocuite cu cele din bronz, mai întâi în China (în jurul anului 900) şi apoi în Europa. Leonardo Da Vinci (1452-1519) a efectuat primele cercetări experimentale pentru determinarea coeficientului de frecare, a propus utilizarea rulmenţilor (fig. 1.1), iar penru angrenaje, în scopul reducerii frecării, a propus profile diferite ale dinţilor.

- începând cu secolul al XVI-lea, o dată cu perioada revoluţiei industriale, dezvoltarea mecanismelor şi maşinilor a necesitat studii intense în domeniul frecării. Sunt continuate cercetările intreprinse de Leonardo Da Vinci de o serie de înţelepţi ai timpului: Guilloume Amontos (1663-1705) care în 1699 a elaborat legea frecării ce este valabilă şi astăzi; de Charles Augustin Coulomb (1736-1806) care în 1785 în lucrarea ²Theorie des machines simpes en ayant egard au frottement de leus parties et a la roideur des cordages², în urma unor experinţe a arătat că frecarea uscată este influenţată de o serie de parametrii: natura materialului, starea suprafeţelor în contact, sarcina aplicată, efectul lubrifiantului, perioada de timp de când se aplică sarcina tangenţială la suprafaţa de contact până la apariţia alunecării; Leonard Euler (1707-1783), matematician elveţian, în anul 1748 a introdus noţiunea de unghi de frecare, utilizată şi în prezent. Tot el separă noţiunea de frecare statică de cea dinamică.

         In domeniul lubrifierii hidrodinamice Isac Newton (1643-1727) în anul 1687 a elaborat legea fundamentală a curgerii fluidelor vâscoase, în 1888 N.P. Petroff a stabilit formula pentru frecarea vâscoasă din lagărele radiale, iar Osborn Reynolds (1842-1912) a stabilit în 1886 ecuaţiile de bază ale ungerii hidrodinamice şi a pus în evidenţă fenomenul de portanţă.

         Secolul al XX-lea a adus mari contribuţii la dezvoltarea tribologiei prin modelarea matematică a fenomenelor tribologice, prin extinderea şi perfecţionarea experimentelor şi prin dezvoltarea metodelor de calcul. Dintre cercetările deosebite trebuie amintite:

         - contribuţia lui Wilhelm Sommerfeld (1868-1959) la lubrifierea lagărelor cu alunecare;

         - stabilirea de către Albert Kingsbury (1863-1943) a similitudinii ecuaţiei lui Reynolds cu cea a tensiunii electrice dintr-un mediu rezistiv;

         - punerea bazelor teoriei tensiunilor şi deformaţiilor elastice din cuplele superioare de către Rudolph Hertz (1857-1894);

- studiul lubrifierii contactelor herţiene prin considerarea creşterii vâscozităţii cu presiunea;

         - stabilirea teoriei adeziunii în studiul frecării, mai întâi în 1920 de W.B. Hardy şi apoi de către F.P.Bowden şi D. Tabor între anii 1945-1954;

         - fundamentarea teoretică şi experimentală a uzurii de contact, cu aplicaţii la rulmenţi de către cercetătorii suedezi Lundberg şi Palmgren între anii 1947-1952.

         Complexitatea fenomenelor tribologice, apariţia de noi materiale şi folosirea acestora pun în faţa cercetătorilor din domeniul tribologiei noi probleme. Apare necesitatea elaborării metodelor matematice şi metodelor experimentale adecvate cu ajutorul cărora să se obţină relaţii de interdependenţă ai factorilor de influenţă a fenomenelor tribologice.

         Prin rezultatele cercetătorilor tribologice se impune o conlucrare mai pronunţată între proiectanţii de maşini şi utilaje, producătorii de materiale şi lubrifianţi şi beneficiarii acestora.